一种用于海洋平台钻井的被动式深海升深沉补偿装置的制作方法

本发明涉及海洋浮式平台升沉补偿装置技术领域，特别是一种用于海洋平台钻井的被动式深海升深沉补偿装置。

背景技术

随着陆地资源的日趋枯竭，世界经济发展的战略眼光就聚集到海洋上，发展海洋科技与高技术装备尤为重要。在石油领域，随着中国经济的发展，特别是作为支柱产业的石油化工和汽车工业的快速发展，石油和天然气供应不足的矛盾日益突出。鉴于陆上石油资源的日渐枯竭，向深海进军已成必然趋势。当前，海上石油钻机最大工作水深已经超过了3000m，而且还将继续向更深的方向发展。在这样的水深条件下工作，对钻机的各方面的要求更为苛刻，并且还必须适应在深水条件下所面临的一些特殊情况，许多设备需要重新设计和开发。

钻柱升沉补偿装置是保障海上钻井船或半潜式钻井平台作业的安全进行以及提高工作效率和质量必不可少的重要设备之一。深海钻井所采用的半潜式钻井平台和钻井浮船在波浪的作用下将产生周期性的升沉运动，并使钻柱上下往复运动，引起井底钻压的变化，甚至使钻头脱离井底，影响钻进的效率，降低钻头和钻杆寿命，产生操作的安全隐患，甚至导致无法钻进和被迫停工，造成了巨大的经济损失。因此，为了减少停工期，降低钻井成本，浮式钻井平台必须对钻柱升沉运动采取适当的补偿措施，以确保用于悬挂隔水管的大钩在海水中的液位不变，进一步确保钻杆及钻头的位置不变。

液压式升沉补偿系统在海洋浮式钻井平台上应用最为普遍，形式比较多，按照其动力提供方式可以分为三种形式：主动式、被动式和半主动式。主动式升沉补偿系统具有较好的补偿效果和较强的适应性，但由于钻柱质量大，上下往复运动频繁，因此补偿过程中会消耗大量的能量。此外，液压驱动系统中由于存在大量液压管路和液压控制阀门等液压元器件，使得补偿系统对钻井平台升沉运动的补偿响应存在一定的滞后性，会对天车升沉补偿装置的补偿速度与效率产生影响；同时由于补偿系统中存在大量液压元器件，在液压系统出现较大压力的情况下易出现泄露，影响补偿系统的安全性和使用可靠性，由于液压系统泄露或液压阀门管线失效等问题所造成的作业事故，会导致补偿系统需要停机检修，因此增加系统检修难度和整体作业成本。

被动式升沉补偿系统由于在补偿过程中基本不需要系统额外提供能量，而且系统简单，得到了较为广泛的应用。但由于对超低频、宽带随机振动的海浪、海流、海潮的影响难以有效抑制，补偿精度不高，所以被动式补偿系统补偿效果不理想，并且存在着一定的滞后现象。

此外，从钻井平台上下放隔水管时，在海水的作用下，隔水管出现倾斜现象，即不是垂向往下降落的，造成后续向隔水管中下放钻杆时，钻杆也发生倾斜，进一步导致与钻杆相连的钻头倾斜的钻进海底底层，对钻头损坏严重。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构简单、垂直下放隔水管、可靠性好、补偿效率高和系统响应速度快的用于海洋平台钻井的被动式深海升深沉补偿装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种用于海洋平台钻井的被动式深海升深沉补偿装置，它包括浮式钻井平台、设置于浮式钻井平台顶部的机架以及设置于机架顶部的钻井井架，所述浮式钻井平台顶部设置耳环螺钉和钻井绞车，耳环螺钉和钻井绞车分别位于机架的左右侧，所述钻井井架内设置有竖向设置的导向槽，导向槽的顶部固设有竖向设置的弹簧，弹簧的底部固设有位于导向槽内的压板，所述导向槽内滑动安装有浮动天车，浮动天车位于压板正下方，浮动天车内旋转安装有其柱面上开设有多道线槽的中心槽轮，该升沉补偿装置还包括大钩、隔水管、大钩吊绳、钢丝绳、分别设置于机架左右侧的位移补偿机构i和右位移补偿机构ii，所述位移补偿机构i和右位移补偿机构ii左右对称设置；

所述位移补偿机构i包括第一连杆、第二连杆、导向轮和液压补偿油缸，第一连杆的下端部铰接于机架顶部，第一连杆的另一端铰接于导向轮的中部，第二连杆的一端铰接于导向轮的中部，第二连杆的另一端铰接于中心槽轮的中部，液压补偿油缸向右倾斜向上设置，液压补偿油缸的缸筒铰接于机架上，液压补偿油缸的活塞杆铰接于浮动天车的底部，所述钢丝绳的尾端固定在耳环螺钉上，钢丝绳的首端绕过位移补偿机构i的导向轮后多圈盘绕于中心槽轮上，随后钢丝绳的首端绕过位移补偿机构ii的导向轮后固定于钻井绞车上，所述大钩吊绳的一端固定于浮动天车上，另一端固定有大钩，大钩上悬挂有隔水管，隔水管上套固有环形圈；

该升沉补偿装置还包括分别位于钻井井架左右侧的收卷机构i和收卷机构ii，收卷机构i由电机a、收卷滚筒a和拉绳a组成，电机a固定于浮式钻井平台顶部，电机a的输出轴与收卷滚筒a的一端经联轴器连接，拉绳a的一端固定于收卷滚筒a上，另一端焊接于环形圈的左侧；收卷机构ii由电机b、收卷滚筒b和拉绳b组成，电机b固定于浮式钻井平台顶部，电机b的输出轴与收卷滚筒b的一端经联轴器连接，拉绳b的一端固定于收卷滚筒b上，另一端焊接于环形圈的右侧；

该沉补偿装置还包括蓄能器和控制阀，所述蓄能器的输出端口处连接有控制阀，控制阀的另一端连接有三通管，三通管的两个端口分别与两个液压补偿油缸的无杆腔经管线连通。

所述钻井绞车包括电机c、收卷滚筒c和减速器，所述电机c和减速器均设置于浮式钻井平台顶部，电机c的输出轴与减速器的输入轴经联轴器连接，减速器的输出轴经联轴器连接有收卷滚筒c。

所述钢丝绳的首端绕过位移补偿机构ii的导向轮后固定于收卷滚筒c上。

所述大钩位于浮式钻井平台下方。

所述浮式钻井平台上开设有位于钻井井架正下方的通槽。

所述大钩吊绳贯穿通槽设置。

所述收卷机构i和收卷机构ii关于钻井井架左右对称设置。

所述蓄能器设置于机架上。

本发明具有以下优点：本发明结构简单、垂直下放隔水管、可靠性好、补偿效率高和系统响应速度快。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为海水液位上升时补偿装置的工作示意图；

图3为海水液位下降时补偿装置的工作示意图；

图4为浮动天车的结构示意图；

图中，1-浮式钻井平台，2-机架，3-钻井井架，4-耳环螺钉，5-弹簧，6-压板，7-浮动天车，8-中心槽轮，9-大钩，10-隔水管，11-大钩吊绳，12-钢丝绳，13-第一连杆，14-第二连杆，15-导向轮，16-液压补偿油缸，17-环形圈，18-电机a，19-收卷滚筒a，20-拉绳a，21-电机b，22-收卷滚筒b，23-拉绳b，24-蓄能器，25-控制阀，26-电机c，27-收卷滚筒c，28-管线，29-海面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1和4所示，一种用于海洋平台钻井的被动式深海升深沉补偿装置，它包括浮式钻井平台1、设置于浮式钻井平台1顶部的机架2以及设置于机架2顶部的钻井井架3，所述浮式钻井平台1顶部设置耳环螺钉4和钻井绞车，耳环螺钉4和钻井绞车分别位于机架2的左右侧，所述钻井井架3内设置有竖向设置的导向槽，导向槽的顶部固设有竖向设置的弹簧5，弹簧5的底部固设有位于导向槽内的压板6，所述导向槽内滑动安装有浮动天车7，浮动天车7位于压板6正下方，浮动天车7内旋转安装有其柱面上开设有多道线槽的中心槽轮8，该升沉补偿装置还包括大钩9、隔水管10、大钩吊绳11、钢丝绳12、分别设置于机架2左右侧的位移补偿机构i和右位移补偿机构ii，所述位移补偿机构i和右位移补偿机构ii左右对称设置；

所述位移补偿机构i包括第一连杆13、第二连杆14、导向轮15和液压补偿油缸16，第一连杆13的下端部铰接于机架2顶部，第一连杆13的另一端铰接于导向轮15的中部，第二连杆14的一端铰接于导向轮15的中部，第二连杆14的另一端铰接于中心槽轮8的中部，液压补偿油缸16向右倾斜向上设置，液压补偿油缸16的缸筒铰接于机架2上，液压补偿油缸16的活塞杆铰接于浮动天车7的底部，所述钢丝绳12的尾端固定在耳环螺钉4上，钢丝绳12的首端绕过位移补偿机构i的导向轮15后多圈盘绕于中心槽轮8上，随后钢丝绳12的首端绕过位移补偿机构ii的导向轮15后固定于钻井绞车上，所述大钩吊绳11的一端固定于浮动天车7上，另一端固定有大钩9，大钩9位于浮式钻井平台1下方，大钩9上悬挂有隔水管10，隔水管10上套固有环形圈17。

该升沉补偿装置还包括分别位于钻井井架3左右侧的收卷机构i和收卷机构ii，收卷机构i和收卷机构ii关于钻井井架3左右对称设置，收卷机构i由电机a18、收卷滚筒a19和拉绳a20组成，电机a18固定于浮式钻井平台1顶部，电机a18的输出轴与收卷滚筒a19的一端经联轴器连接，拉绳a20的一端固定于收卷滚筒a19上，另一端焊接于环形圈17的左侧；收卷机构ii由电机b21、收卷滚筒b22和拉绳b23组成，电机b21固定于浮式钻井平台1顶部，电机b21的输出轴与收卷滚筒b22的一端经联轴器连接，拉绳b23的一端固定于收卷滚筒b22上，另一端焊接于环形圈17的右侧。

该沉补偿装置还包括蓄能器24和控制阀25，所述蓄能器24设置于机架2上，蓄能器24的输出端口处连接有控制阀25，控制阀的另一端连接有三通管，三通管的两个端口分别与两个液压补偿油缸16的无杆腔经管线28连通。

所述钻井绞车包括电机c26、收卷滚筒c27和减速器，所述电机c26和减速器均设置于浮式钻井平台1顶部，电机c26的输出轴与减速器的输入轴经联轴器连接，减速器的输出轴经联轴器连接有收卷滚筒c27。

所述钢丝绳12的首端绕过位移补偿机构ii的导向轮15后固定于收卷滚筒c27上。所述浮式钻井平台1上开设有位于钻井井架3正下方的通槽，所述大钩吊绳11贯穿通槽设置。

本发明的工作过程如下：如图1所示，下放隔水管10时，将液压补偿油缸16的无杆腔中的液压油抽出，液压补偿油缸16的活塞杆缩回，浮动天车7沿着导向槽向下运动，此时悬挂于大钩9上的隔水管10进入海底中，下降过程中，若观察到隔水管10向左倾斜，此时浮式钻井平台1上的工人打开电机b21，电机b21带动收卷滚筒b22转动，拉绳b23逐渐收卷在收卷滚筒b22上，拉绳b23施加给环形圈17向右的拉力，进一步使隔水管10向右拉，当隔水管10处于竖直状态后关闭电机b21；若观察到隔水管10向右倾斜，此时浮式钻井平台1上的工人打开电机a18，电机a18带动收卷滚筒a19转动，拉绳a20逐渐收卷在收卷滚筒a19上，拉绳a20施加给环形圈17向左的拉力，进一步使隔水管10向左拉，当隔水管10处于竖直状态后关闭电机a18。因此该装置确保了隔水管10的垂向下落，进一步确保了后续下放的钻杆和钻进的钻头的安全。

在进行深海油气开发过程中，由于工作海域的环境复杂多变，导致浮式钻井平台1升沉运动状态变化迅速，并且对钻井作业的顺利进行影响较大，而该装置却能够补偿隔水管10的垂向位移，进一步确保钻进的顺利进行。如图2所示，当浮式钻井平台1随波浪上升时，会导致大钩9载荷增加，带动液压补偿油缸16中活塞杆向上运动，导致蓄能器24中气体发生膨胀，而浮动天车7相对钻井井架3沿导向槽向上运动，浮动天车7压向压板6，压板6又压缩弹簧5，同时两个第二连杆14的一端随着浮动天车7向上运动，第二连杆14带动第一连杆13向外展开，进一步带动导向轮15向外张紧钢丝绳12，钢丝绳12向下施给导向轮15向下的力，同时压板6在弹簧5的恢复力作用下也压向浮动天车7，在这两个力的作用下，确保了浮动天车7的快速复位，从而补偿了大钩和钻柱由于浮式钻井平台1上升产生的位移，以确保隔水管在垂直方向的位移始终不变；如图3所示，当浮式钻井平台1随波浪下降时，会导致大钩9载荷减小，带动液压补偿油缸16中活塞杆向下运动，使得蓄能器24中气体被压缩，浮动天车7相对钻井井架3沿导向槽向下运动，同时两个第二连杆14的一端随着浮动天车7向下运动，第二连杆14带动第一连杆13向内收缩，钢丝绳12处于放松状态，此时蓄能器24中被压缩的气体具有驱动液压补偿油缸16的活塞杆向上伸出的趋势，活塞杆伸出后使浮动天车7复位，从而补偿了大钩和钻柱由于浮式钻井平台1下降产生的位移，以确保隔水管在垂直方向的位移始终不变。因此该装置具有补偿效率高和系统响应速度快的特点，无需外部的其他液压元件参与，具有响应灵敏的特点，确保了钻头的顺利钻进。